CN111550325A - 一种高强化轻量化内燃机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强化轻量化内燃机活塞，包括相连接的活塞本体、上镶嵌件，上镶嵌件采用钢、铸铁、钛合金、铜、粉末冶金等材质，活塞本体采用铝合金材质，所述活塞本体上部设有减重腔体，所述活塞本体在头部环槽区域设有非密闭腔体，非密闭腔体通过进油口、出油口分别与活塞本体内侧的腔体连通，非密闭腔体由上镶嵌件和下部加工的活塞本体组合形成。本发明工艺简单，制造成本低，通过设有减重腔体，既可以为上镶嵌件提供足够的支撑接触面积，也可以减少热量向下传递，减小活塞本体的重量，解决了普通铝合金活塞所不能承受高爆压、高温的问题。

Description

一种高强化轻量化内燃机活塞

技术领域

本发明涉及内燃机活塞技术领域，尤其涉及一种高强化轻量化内燃机活塞。

背景技术

内燃机中的活塞零部件，承受着高温、高压燃气的非常严苛的工作环境，与其它零件共同协作，将燃料的化学能转化为热能和机械能，向外传递。工作过程对活塞不仅要求结构强度能满足，而且还要能承受高的燃气温度，同时重量也不能太大，否则会造成机械效率低，有效能量损失等不利结果。

为应对发动机日益提高的高爆压，高热负荷等要求，活塞采用的方案一般有如下几种：

1、采用更好的铝合金材料，使能承受更高的燃气压力和热负荷；存在的问题是，现有铝合金材料有一定的局限性，无法再满足更高的燃气压力和高温燃气的要求

2、采用钢材质，比如使用整体锻钢结构、摩擦焊接或者激光焊接等连接方式，来提高活塞的强度；存在的问题是，锻钢结构活塞重量大，惯性力大，而且成本会增大

3、采用钢顶+铝裙或者钢顶+铁裙等的组合结构活塞,如采用铁材质，比如使用整体铸铁结构或者铸铁+钢顶等的组合结构活塞，存在的问题是，组合活塞多为头部带有环槽和半个燃烧室腔体的头部+裙部铝合金或者铸铁的组合结构，重量仍然很重；结构多采用长螺栓连接，容易在螺栓处发生失效。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述不足；提供一种高强化轻量化内燃机活塞；本发明工艺简单，制造成本低，而且应用范围更加广泛、局限性小，通过设有减重腔体，既可以为上镶嵌件提供足够的支撑接触面积，同时也可以达到减少热量向下传递的目的，还可以减小活塞本体的重量，解决了普通铝合金活塞所不能承受高爆压、高温的问题，采用铝合金的本体结构，用于安装活塞环起密封作用，安装活塞销起到向下传递力的作用，用以保证活塞的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强化轻量化内燃机活塞，包括相连接的活塞本体、上镶嵌件，上镶嵌件采用钢、铸铁、钛合金、铜、粉末冶金等材质，活塞本体采用铝合金材质，所述活塞本体上部设有减重腔体，所述活塞本体在头部环槽区域设有非密闭腔体，非密闭腔体通过进油口、出油口分别与活塞本体内侧的腔体连通，非密闭腔体由上镶嵌体和下部加工的活塞本体组合形成。

所述非密闭腔体靠近头部环槽区域，非密闭腔体为单独形成,或者通过加工方式加工出非密闭腔体的一部分之后再与上镶嵌体通过螺栓连接组合得到,或者通过使用片体与上镶嵌件的凹形结构空间沿周圈焊接或其他方式连接从而得到非密闭腔体。

当非密闭腔体通过加工方式得到时，在活塞本体顶面与上镶嵌体下侧面之间留有预定的实体厚度。

活塞上部设有活塞与第一道活塞环相配合的第一道耐磨镶圈，第一道耐磨镶圈独立存在于活塞本体上，或者与上镶嵌体通过焊接或粘结方式组合在一起然后铸造在本体上。

所述上镶嵌体的下部在圆周方向通过焊接等方式连接有若干不同形状的支架；所述支架安装在上镶嵌件下侧面位置，支架采用T形或直型结构。

所述上镶嵌体与活塞本体通过螺栓连接时，活塞本体顶面带有预先铸造出来的螺母基座或者后期螺纹安装上去的螺母基座，通过螺栓连接结构与上镶嵌体的安装连接。

所述上镶嵌体与活塞本体通过螺栓连接时，在活塞本体与上镶嵌件之间设有用于减少顶部热量向下传递隔热层。

所述上镶嵌体与活塞本体通过铸造方式连接在一起时，所述上镶嵌件的顶面为圆周全部材料或者中间带凹形结构，其中上镶嵌件的下部直径D1大于口部直径D2。

活塞销孔带有铜套。

本发明的有益效果：

1.因为活塞顶面燃烧室直接与高温燃气接触，因此本方案在上镶嵌件采用了一种耐高温耐高燃气压力的强化材料，如钢，铁、钛合金、铜、粉末冶金等材质，可以承受住高温高压燃气的恶劣的运行环境，解决了普通铝合金活塞所不能承受高爆压、高温的问题；本发明的活塞本体采用了铝合金的本体结构，用于安装活塞环起密封作用，安装活塞销起到向下传递力的作用，用以保证活塞的功能。

通过设有减重腔体，既可以为上镶嵌件提供足够的支撑接触面积，同时也可以达到减少热量向下传递的目的，还可以减小活塞本体的重量。

另外，本发明工艺简单，制造成本低，而且应用范围更加广泛、局限性小；本发明的轻量化效果比常规的钢或铁材质活塞减重效果更好，有更好的成本优势。

2.本发明在活塞本体与上镶嵌件之间设有用于减少顶部热量向下传递隔热层，减少顶部热量向下传递。

3.通过采用螺栓结构连接，确保在铸造时与本体紧紧固定。当上镶嵌件与本体若通过铸造方式连接时，可以去掉螺栓等组件，在满足强度和使用要求的情况下，制造成本更低。

4.活塞本体可以和上镶嵌件在中间组成非密闭腔体，用以形成起冷却作用的通道，冷却活塞吸收的热量。非密闭腔体可以是单独形成，也可以由片体与上镶嵌件通过焊接或粘结方式组成一体，中间让冷却油通过，起到冷却活塞作用。

5.活塞销孔带有铜套，可以有效减小活塞的销孔表面压力，提高销孔的承载能力。

6.如果可以采用多种平顶和带凹槽的燃烧室结构，在保证活塞本体不变的情况下，任意搭配不同顶部结构，适用范围广。

7.在上镶嵌件的下部在圆周方向通过焊接等方式连接有若干不同形状的支架，保证在铸造时与本体更好的粘结。

8.当非密闭腔体通过加工方式得到时，在活塞本体顶面与上镶嵌件下侧面之间留有预定的实体厚度，这样就可以不用完全加工去掉，减少加工制造成本。

9.活塞销孔带有铜套，可以有效减小活塞的销孔表面压力，提高销孔的承载能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为上镶嵌件与本体组合非密闭腔体的结构示意图；

图3为中间带凹形结构的上镶嵌件的下部的凹槽直径D1大于口部的凹槽直径D2的结构示意图；

图4为图3的局部俯视图；

图5为上镶嵌件与第一道耐磨镶圈粘结在一起的结构示意图；

图6为支架与上镶嵌件粘结后与本体铸造在一起的结构示意图；

图7为支架的结构示意图；

图8为顶非密闭腔体由上镶嵌件与片体粘结组成的结构示意图；

图9为减重腔体顶部允许留有实体厚度的结构示意图。

图中，1-活塞本体，2-非密闭腔体，3-第一道耐磨镶圈，4-螺母基座，5-螺栓，6-隔热层，7-上镶嵌件，8-减重腔体，9-销孔铜套，10-螺栓连接结构，口部直径D2，12-下部直径D1，13-片体，14-支架，15-上镶嵌件与第一道耐磨镶圈粘结位置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

结合图1-图9，一种高强化轻量化内燃机活塞，包括相连接的活塞本体1、上镶嵌件7，活塞本体上部设有减重腔体。所述减重腔体可以通过加工方式得到，或者通过铸造成型得到，比如用盐芯或其他方式。通过设有减重腔体，既可以为上镶嵌件7提供足够的支撑接触面积，同时也可以达到减少热量向下传递的目的，还可以减小活塞本体的重量。上镶嵌件采用钢、铸铁、钛合金、铜、粉末冶金等强化材质，可以承受住高温高压燃气的恶劣的运行环境。活塞本体采用铝合金材质，可以有效降低活塞重量，达到轻量化、传热快的目的。

所述活塞本体在头部环槽区域设有非密闭腔体2，非密闭腔体通过进油口、出油口分别与活塞本体内侧的腔体连通，非密闭腔体由上镶嵌件和下部加工的活塞本体部分组合形成。非密闭腔体作为内冷油腔，对润滑油进行循环冷却。

所述非密闭腔体2靠近头部环槽区域，非密闭腔体为单独形成,比如采用盐芯成型等方式预先铸造成型，或者通过加工方式加工出非密闭腔体的一部分之后再与上镶嵌体通过螺栓连接组合得到,或者通过使用片体与上镶嵌件的凹形结构空间沿周圈焊接或其他方式连接从而得到非密闭腔体。如图2。

活塞本体上的非密闭腔体非采用非单独成型得到，通过使用片体13与上镶嵌件焊接或其他方式连接形成，如图8。

当非密闭腔体通过加工方式得到时，在活塞本体顶面与上镶嵌件下侧面之间留有一定的实体厚度，这样就可以不用完全加工去掉，减少加工制造成本，如图9。

所述非密闭腔体设于上镶嵌件上部与头部环槽之间，所述非密闭腔体为单独形成或者通过加工方式加工出来非密闭腔体的一部分；活塞本体上的非密闭腔体非采用单独形成得到时，通过使用片体与上镶嵌件焊接或其他方式连接形成，或者通过上镶嵌件与活塞本体共同组成。如图8，图中的非密闭腔体是上镶嵌件与一个片体焊接或粘结形成。

活塞上部设有活塞与第一道活塞环相配合的第一道耐磨镶圈3，第一道耐磨镶圈3独立存在于活塞本体上，或者与上镶嵌件通过焊接或粘结方式组合在一起、然后铸造在本体上，第一环槽耐磨镶圈预先可以铸造出来。

所述上镶嵌件的下部在圆周方向通过焊接等方式连接有若干不同形状的支架14，确保在铸造时与本体紧紧固定。如图6。

所述支架安装在上镶嵌件下侧面位置，支架可以采用T形或直型或其他形状，保证在铸造时与本体更好的粘结。

所述上镶嵌件与活塞本体通过螺栓5连接时，活塞本体顶面带有预先铸造出来的螺母基座4或者后期螺纹安装上去的螺母基座4，通过螺栓连接结构10与上镶嵌件的安装连接，如图1，图2，图6。活塞上镶嵌件采用单独加工成型，并在上面圆周方向加工用于螺栓固定的孔。螺母基座可以是铸造在本体上，也可以加工螺纹拧入本体上。

所述上镶嵌体与活塞本体采用螺栓5及螺栓连接结构10连接时，在活塞本体与上镶嵌件之间设有隔热层，用于减少顶部热量向下传递。

所述上镶嵌件的顶面为圆周全部材料或者中间带凹形结构，凹形面积占顶面面积比例可大可小。上镶嵌件的下部直径D1大于口部直径D2，如图3，图5，图6，图8，图9。也就是上镶嵌件采用口小肚子大的那种结构，这种结构能防止铸造后脱落，整体结构可靠。上镶嵌件与第一道耐磨镶圈15在上镶嵌件与第一道耐磨镶圈粘结位置连接。对于这种上镶嵌体和本体铸造成型的，首先要求是口小肚子大，也就是D1要大于D2，允许顶面是整周材料，也可以是凹形结构的，不管是那种情况都在该发明的保护范围之内。

以上所述为本发明的优选实施方式，具体实施例的说明仅用于更好的理解本发明的思想，但并非对本发明保护范围的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的技术方案的基础上，依照本发明原理还可以做出若干改进或者同等替换，这些改进或同等替换也视为落在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高强化轻量化内燃机活塞，包括相连接的活塞本体、上镶嵌件，上镶嵌件采用钢、铸铁、钛合金、铜、粉末冶金等材质，活塞本体采用铝合金材质，其特征是，所述活塞本体上部设有减重腔体，所述活塞本体在头部环槽区域设有非密闭腔体，非密闭腔体通过进油口、出油口分别与活塞本体内侧的腔体连通，非密闭腔体由上镶嵌体和下部加工的活塞本体组合形成。

2.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，所述非密闭腔体靠近头部环槽区域，非密闭腔体为单独形成,或者通过加工方式加工出非密闭腔体的一部分之后再与上镶嵌体通过螺栓连接组合得到,或者通过使用片体与上镶嵌件的凹形结构空间沿周圈焊接或其他方式连接从而得到非密闭腔体。

3.如权利要求2所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，当非密闭腔体通过加工方式得到时，在活塞本体顶面与上镶嵌体下侧面之间留有预定的实体厚度。

4.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，活塞上部设有活塞与第一道活塞环相配合的第一道耐磨镶圈，第一道耐磨镶圈独立存在于活塞本体上，或者与上镶嵌体通过焊接或粘结方式组合在一起然后铸造在本体上。

5.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，所述上镶嵌体的下部在圆周方向通过焊接等方式连接有若干不同形状的支架；所述支架安装在上镶嵌件下侧面位置，支架采用T形或直型结构。

6.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，所述上镶嵌体与活塞本体通过螺栓连接时，活塞本体顶面带有预先铸造出来的螺母基座或者后期螺纹安装上去的螺母基座，通过螺栓连接结构与上镶嵌体的安装连接。

7.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，所述上镶嵌体与活塞本体通过螺栓连接时，在活塞本体与上镶嵌件之间设有用于减少顶部热量向下传递隔热层。

8.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，所述上镶嵌体与活塞本体通过铸造方式连接在一起时，所述上镶嵌件的顶面为圆周全部材料或者中间带凹形结构，其中上镶嵌件的下部直径D1大于口部直径D2。

9.如权利要求1所述的一种高强化轻量化内燃机活塞，其特征是，活塞销孔带有铜套。

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